[發(fā)明專利]可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)及柔性傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010553583.6
• 申請(qǐng)日: 2020-06-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111786590A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 衣芳;饒繼弘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N1/04
• 分類號(hào): H02N1/04;G01L1/00;G01K7/22
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 林德強(qiáng)

本發(fā)明公開(kāi)了可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)及柔性傳感器。一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的柔性基底、熱敏電極和具有金字塔形微納結(jié)構(gòu)的摩擦層。本發(fā)明還提供了一種包括該摩擦納米發(fā)電機(jī)的可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的柔性傳感器。本發(fā)明提供的柔性傳感器以單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī)工作時(shí)可檢測(cè)壓力，且其電極電阻隨溫度升高而降低的性能可用于檢測(cè)溫度。本發(fā)明所制作的傳感器具有良好的柔性，可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力且兩種信號(hào)互不干擾，擁有高的溫度傳感及壓力傳感靈敏度，良好的工作穩(wěn)定性以及長(zhǎng)期重復(fù)性，可自供電無(wú)需外部電源等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料及功能器件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)及柔性傳感器。

背景技術(shù)

柔性可穿戴傳感器因其在可穿戴電子、人造皮膚、人體運(yùn)動(dòng)與健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)界面等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，可穿戴傳感器的發(fā)展方向越來(lái)越趨向于多功能傳感器，這是因?yàn)樵谠S多領(lǐng)域，為了準(zhǔn)確、全面地理解和控制物體或環(huán)境，往往需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)物理量。在眾多的多功能傳感器中，能夠同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的傳感器備受關(guān)注，這是因?yàn)闇囟群蛪毫鞲惺侨斯ぶ悄芎涂纱┐髟O(shè)備的關(guān)鍵功能之一。溫度是自然界最常見(jiàn)的感知物理量之一，而人體溫度在監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)和決定人類健康方面起著重要作用。在壓力傳感方面，報(bào)道了基于壓電納米發(fā)電機(jī)、壓阻效應(yīng)和摩擦納米發(fā)電機(jī)的可穿戴壓力傳感器。

基于摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的壓力傳感器通常工作在單電極模式或雙電極模式下，具有靈活性強(qiáng)、重量輕、選材多樣、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是可穿戴電子設(shè)備的理想選擇。當(dāng)TENG用作壓力傳感器時(shí)，電荷是由外部物體和傳感器之間的接觸和摩擦產(chǎn)生的。不同的接觸壓力會(huì)導(dǎo)致不同的接觸面積和不同的電荷量。

然而，如何獲得既具有靈活性又具有高靈敏度，同時(shí)輸出兩種互不干擾的信號(hào)的傳感器是一個(gè)挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)溫度壓力兩種信號(hào)且兩種信號(hào)相互之間互不干擾；本發(fā)明的目的之二在于提供這種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法；本發(fā)明的目的之三在于提供一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的柔性傳感器。

本發(fā)明的構(gòu)思如下：構(gòu)建一種柔性可穿戴的能夠同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力，并輸出兩種互不干擾的信號(hào)的多功能傳感器。這種傳感器利用一種基于熱敏電阻材料的復(fù)合熱敏電極監(jiān)測(cè)溫度的變化，利用單電極模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)檢測(cè)壓力，兩者的結(jié)合可以構(gòu)成一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的傳感器。該傳感器具有柔性可穿戴，能同時(shí)檢測(cè)壓力和溫度，兩種信號(hào)互不干擾，且靈敏度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及重復(fù)性能好，無(wú)需外接電源。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明第一方面提供了一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)。

一種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)，該摩擦納米發(fā)電機(jī)包括層疊設(shè)置的柔性基底、熱敏電極和具有金字塔形微納結(jié)構(gòu)的摩擦層。

優(yōu)選的，這種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)中，所述柔性基底為柔性聚合物。

優(yōu)選的，這種摩擦納米發(fā)電機(jī)的柔性基底中，所述柔性聚合物選自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯彈性體、尼龍彈性體、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的至少一種；進(jìn)一步優(yōu)選的，柔性基體的柔性聚合物選自聚二甲基硅氧烷、聚氨酯彈性體、尼龍彈性體、聚酰亞胺中的至少一種。在本發(fā)明一些優(yōu)選的具體實(shí)施方式中，柔性基體的柔性聚合物為聚二甲基硅氧烷。

優(yōu)選的，這種可同時(shí)檢測(cè)溫度和壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)中，所述熱敏電極為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電極。

優(yōu)選的，所述負(fù)溫度系數(shù)熱敏電極的制備原料包括還原氧化石墨烯(rGO)、負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷顆粒和粘結(jié)劑。